La métrologie est la science de la mesure. Son objectif est d’assurer que les résultats de mesure sont comparables et fiables à l’échelle mondiale, par exemple dans l’industrie ou dans les expériences scientifiques. Les constantes fondamentales, ou grandeurs physiques invariables telles que la vitesse de la lumière ou la constante de Planck, jouent un rôle de plus en plus important dans ce contexte. Comme leurs valeurs sont universelles, c’est-à-dire indépendantes du lieu et du temps, elles permettent la définition d’unités hautement stables et garantissent des résultats de mesure très reproductibles. Depuis 2019, le Système international d’unités SI (abréviation de : Système international d’unités) repose entièrement sur ces constantes.
La mesure précise de la résistance électrique s’avère jouer un rôle important ici. « Il s’avère que, dans certaines conditions, la résistance électrique d’un matériau bidimensionnel peut avoir une valeur universelle, définie par un rapport de la constante de Planck h et du carré de la charge élémentaire e », explique Kajetan Fijalkowski, physicien à l’Institut des isolateurs topologiques de l’Université de Würzburg (JMU) et auteur principal de l’étude. « Une telle caractéristique est indépendante de toute propriété matérielle, ce qui la rend excellente pour la reproductibilité – précisément ce que l’on attend d’un étalon. » Une nouvelle classe de matériaux a émergé en 2007, appelée isolateurs topologiques, qui possèdent certaines propriétés électriques qui s’avèrent extraordinairement utiles pour la métrologie. Les nouveaux travaux explorent cela.
Comment fonctionne le transport électrique quantifié
Beaucoup de gens se souviennent probablement encore de l’effet Hall classique de leurs cours de physique : lorsqu’un courant traverse un conducteur exposé à un champ magnétique, une tension est générée, appelée tension de Hall. La résistance de Hall, obtenue en divisant cette tension par le courant, augmente à mesure que l’intensité du champ magnétique augmente.
Cependant, dans des couches minces (environ 10 000 fois plus fines qu’un cheveu humain) et dans des champs magnétiques suffisamment forts (environ 100 000 fois plus forts que celui de la Terre), cette résistance développe des paliers discrets. Ces paliers ont des valeurs qui sont exactement h/ne², où h est la constante de Planck, e est la charge élémentaire, et n est un entier. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet Hall quantique. La résistance dépend uniquement des constantes physiques fondamentales (h et e), ce qui en fait l’étalon de résistance le plus précis à ce jour.
En fait, les expériences métrologiques modernes et de pointe permettent de mesurer h/e² avec une erreur relative de seulement quelques parties par 10⁻¹¹. « C’est comme mesurer la circonférence de la Terre avec une précision de quelques millimètres », explique Fijalkowski.
Ce qui rend les isolateurs topologiques spéciaux pour la métrologie
Un type particulier d’isolateur topologique, connu sous le nom d’« isolateur topologique magnétique », peut présenter un type unique d’effet Hall appelé effet Hall quantique anormal (EHQA). Ceci est spécial car la résistance de Hall prend une valeur précisément définie (également donnée par h et e) même lorsqu’aucun champ magnétique externe n’est appliqué. « Fonctionner sans champ magnétique externe permet de combiner les étalons de résistance électrique et de tension, ou références de haute précision, en un seul dispositif de référence électrique universel », explique Fijalkowski. « Cela est également important pour la construction d’un étalon déterminant le ‘kilogramme’, qui repose en partie sur des étalons électriques pour fonctionner. » En effet, une référence de tension ne peut fonctionner qu’en l’absence de champ magnétique externe. L’effet Hall quantique conventionnel, qui nécessite des champs magnétiques forts, n’est donc pas adapté à cette combinaison.
Obstacles techniques à la mesure
L’utilisation de l’EHQA comme étalon de résistance nécessite des conditions expérimentales extrêmement exigeantes, tant en termes de températures extrêmement basses que de courants extrêmement faibles. La température requise pour l’EHQA est inférieure à 100 millikelvins (juste 0,1 degré au-dessus du zéro absolu), ce qui nécessite l’utilisation de systèmes cryogéniques coûteux appelés réfrigérateurs à dilution. En revanche, l’effet Hall quantique peut être utilisé facilement à une température de 4,2 Kelvin, relativement simple à atteindre avec de l’hélium liquide. De plus, il fonctionne à des courants électriques significativement plus élevés que l’EHQA. Ces deux facteurs limitent actuellement les applications pratiques de l’EHQA dans la technologie de mesure de résistance.
L’équipe de recherche de l’Université de Würzburg a maintenant démontré que le transport quantifié en bordure dans un isolateur topologique magnétique peut supporter des courants de mesure significativement plus élevés qu’on ne le pensait auparavant, tout en fonctionnant à une température de 4,2 K (et au-dessus), ce qui est important pour les perspectives d’applications futures en métrologie. Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé une méthode qu’ils avaient eux-mêmes développée appelée équilibrage du potentiel électrochimique.
Normalement, le courant de mesure crée un champ électrique fort entre les bords conducteurs de l’échantillon. Si ce champ dépasse une certaine force, cependant, les électrons peuvent traverser l’intérieur du matériau d’un bord à l’autre. Par conséquent, la résistance de Hall perd sa valeur précisément définie. « En utilisant un circuit électrique relativement simple, nous pouvons compenser la différence de tension entre les bords et ainsi éliminer ce champ électrique », explique Fijalkowski. « Cela signifie que la résistance de Hall reste stable même à des courants de mesure significativement plus élevés. » « Ce circuit s’avère également simplifier considérablement la façon dont le courant circule à l’intérieur de l’échantillon à des températures plus élevées, nous permettant de conclure que les propriétés topologiques électroniques restent en fait quantifiées et robustes. »
Des recherches supplémentaires sont prévues
Les résultats montrent que, sur le plan fondamental, l’EHQA est tout aussi robuste que l’effet Hall quantique conventionnel. Cependant, il reste encore un obstacle majeur à surmonter avant qu’il puisse être utilisé dans la technologie de mesure : dans les conditions étudiées, la valeur de résistance universelle (h/e²) ne peut pas encore être mesurée directement avec la précision requise à 4,2 K.
« Même une légère augmentation de la température provoque la formation de voies conductrices supplémentaires dans le matériau parallèlement au transport de courant topologique souhaité », explique Fijalkowski. Ces courants indésirables affectent la mesure, faisant dévier la résistance de la valeur précisément définie.
« Notre méthode montre que la contribution topologique est fondamentalement suffisamment robuste pour des applications pratiques », déclare Fijalkowski. « Nous devons maintenant trouver un moyen de réduire la conductivité supplémentaire dans le matériau. » La recherche de nouveaux systèmes matériels potentiels pouvant permettre un fonctionnement de l’EHQA à des températures élevées se poursuit.
La recherche a été financée par le Conseil scientifique allemand (Wissenschaftsrat) et le Ministère bavarois de la Science et des Arts via l’Institut des isolateurs topologiques, la Fondation allemande pour la recherche DFG (projet SFB 1170), le Cluster d’excellence ctd.qmat et la Commission européenne dans le cadre de la subvention TOCHA et du projet QuAHMET.
Article : Quantum adiabatic transport in a quantum anomalous Hall insulator – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude
Source : Wurzburg U.
